某中壓交流電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻器的設(shè)計(jì)論證

郭 昂，張京坤，李冬蘭，封海寶

（中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

0 引言

隨著電子電工技術(shù)和直流配電技術(shù)的日趨成熟和不斷推廣，采用電力推進(jìn)技術(shù)逐漸成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。取消了柴油機(jī)與螺旋槳之間的長軸系和齒輪箱，通過電機(jī)帶動(dòng)短軸系直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，變頻器作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端，起著至關(guān)重要的作用。它與傳統(tǒng)機(jī)械式推進(jìn)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)：艙室布置更為靈活，減振降噪效果明顯，操縱和機(jī)動(dòng)性能較好[1]。

1 船體及主推進(jìn)系統(tǒng)介紹

1.1 使命任務(wù)及船型介紹

本方案涉及的5 000噸級(jí)公務(wù)船主要用于維護(hù)我國海洋權(quán)益，保護(hù)海洋環(huán)境，監(jiān)督管理海域使用，進(jìn)行海洋基礎(chǔ)調(diào)查，并兼顧海洋資源及海底設(shè)施的勘測(cè)，是一艘用于遠(yuǎn)海海域的海洋綜合調(diào)查船。

本船船型為鋼質(zhì)、長艏樓、前傾首柱、球鼻首的單體船型；全船采用綜合電力推進(jìn)，配備首側(cè)推，具備 DP-2的定位能力，全船生活和工作艙室設(shè)中央空調(diào)，航區(qū)為遠(yuǎn)海航區(qū)，入CCS船級(jí)，并滿足船級(jí)社規(guī)范3級(jí)舒適度指標(biāo)要求。

1.2 主推進(jìn)系統(tǒng)介紹

軸系推進(jìn)采用電力驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)型式，其單線圖如圖1所示。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖

全船電站配有4臺(tái)2 940 kW/6 600 V中壓主發(fā)電機(jī)組，設(shè)中壓主配電板1座，配有2臺(tái)1 400 kVA日用變壓器，通過6 600 V主配電板給400 V配電板供電，2臺(tái)變壓器一用一備。此外，全船配功率管理系統(tǒng)（PMS）1套。

全船設(shè)主推進(jìn)系統(tǒng)2套，左右舷對(duì)稱布置，推進(jìn)功率為3 200 kW，采用變頻器驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)電機(jī)為低壓永磁電機(jī)。主推進(jìn)系統(tǒng)配置推進(jìn)控制系統(tǒng)2套。全船設(shè)側(cè)推系統(tǒng)2套，功率為1 000 kW，采用變頻器驅(qū)動(dòng)，并配置側(cè)推進(jìn)控制系統(tǒng)1套。

對(duì)于大功率電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶而言，變頻器是直流電網(wǎng)與大功率電機(jī)的橋梁，屬于推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵重要設(shè)備，決定推進(jìn)系統(tǒng)的成敗，在主推進(jìn)變頻器方案選擇方面，本文分別從設(shè)備配置、價(jià)格、諧波控制、可靠性、功率利用率等方面對(duì)12脈沖變頻和AFE變頻器進(jìn)行比對(duì)分析，為本船變頻器合理選擇提供參考。

2 原理分析

2.1 12脈沖變頻器

12脈沖變頻器是由6脈沖變頻器疊加形成的（如圖2所示），其內(nèi)部整流電路由2組二極管整流橋串聯(lián)而成，通過輸入變壓器的兩副邊供電（互差30°電角度，星型和三角形方式）。這種整流方式能夠穩(wěn)定地把整流電路的脈沖數(shù)由6脈沖提高到12脈沖，從而大大降低了5次和7次產(chǎn)生的諧波電流。

圖2 12脈沖變頻器整流電路示意圖

2.2 AFE變頻器

AFE變頻器與普通變頻器的區(qū)別主要在于其整流環(huán)節(jié)（active front end），AFE變頻器的整流環(huán)節(jié)采用自關(guān)斷器件IGBT作為其功率器件，并且采用正弦波的脈寬調(diào)制技術(shù)。AFE變頻器的出現(xiàn)較好地解決普通變頻器存在的電流單向流動(dòng)、諧波電流較大等問題，同時(shí)大大減小了對(duì)主電網(wǎng)的沖擊，這是因?yàn)槠錄]有采用傳統(tǒng)的固定橋式二極管整流模式，在整流狀態(tài)或回饋狀態(tài)下工作時(shí)，都是通過切換 IGBT開關(guān)狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，從而使得變頻器的網(wǎng)側(cè)電流都是正弦波，功率因數(shù)也接近于 1，同時(shí)諧波很少。整流單元原理如圖3所示。

AFE變頻器的特點(diǎn)如下：

1）采用IGBT功率元件及正弦波的脈寬調(diào)制技術(shù)，開通/關(guān)斷均可控。

2）由于AFE變頻器前端的電壓與電流波形均已濾波成正弦波形，電壓與電流正弦波形間的相位差角可以按需要在一定范圍內(nèi)設(shè)定，因此功率因數(shù)可調(diào)。

3）控制變頻器的輸入電流的諧波小于5%。

圖3 AFE變頻控制系統(tǒng)的整流單元原理

4）不采用直流電抗器和輸入電抗器也不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。

5）AFE整流器抵抗電源電壓偏低的能力很強(qiáng)，容許電源電壓低于電機(jī)電壓，可在電網(wǎng)電壓較低或波動(dòng)較大時(shí)保持足夠的轉(zhuǎn)矩輸出。

6）再生能量可反饋給電網(wǎng)。

目前變頻器主流廠商大部分都有相應(yīng)的AFE變頻器產(chǎn)品。如 ABB、西門子、VACON、施耐德、Emerson、日立等。

3 12脈沖變頻器和AFE變頻器的對(duì)比

3.1 設(shè)備配置

傳統(tǒng)的12脈沖、18脈沖或者24脈沖多脈沖變頻方案是通過移相變壓器的組合配置來實(shí)現(xiàn)的，從而導(dǎo)致這類多脈沖變壓器體積大、重量大、價(jià)格昂貴。而AFE變頻方案，沒有采用移相變壓器，有利于減小體積和重量，節(jié)約成本。

變頻器的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)不足，輸入諧波電流較大，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)帶來干擾，這是普通變頻器采用內(nèi)部二極管全橋整流的固有缺陷，因此隨著變頻器的功率增加，對(duì)電網(wǎng)的沖擊和干擾也就越大，因此在實(shí)際的產(chǎn)品研制中，通常會(huì)采用在較大功率的變頻器加裝輸入電抗器和直流電抗器的方法，來降低其輸入諧波，并提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。

多脈沖整流變頻方案一般配置制動(dòng)斬波器和制動(dòng)電阻，將剎車制動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁β噬l(fā)出去，這種方式顯然會(huì)造成能源浪費(fèi)，總體效率降低，且安全性不高。而采用AFE變頻器采用的是PWM 整流器，能量具有雙向移動(dòng)性，船舶緊急制動(dòng)引發(fā)的較大制動(dòng)功率可以返回至電網(wǎng)。

3.2 價(jià)格

AFE變頻器剛推出的時(shí)候，價(jià)格十分昂貴，時(shí)至今日，這仍是制約AFE變頻器推廣的主要原因之一。但隨著AFE變頻技術(shù)的不斷成熟，AFE變頻器的成本和價(jià)格也在不斷下降。目前，同功率的AFE變頻器的價(jià)格約為12脈沖變頻器價(jià)格的1.3倍～2倍。就3 200 kW，690 V這一檔來說，AFE變頻器的價(jià)格約為12脈沖變頻器價(jià)格的1.4倍，但因?yàn)?2脈沖變頻器方案還需要配置移相變壓器和濾波裝置等，因此12脈沖變頻器與AFE變頻器相比，價(jià)格優(yōu)勢(shì)已經(jīng)越來越不明顯。

3.3 諧波控制

3.3.1 諧波危害

在電力推進(jìn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)中，主要的非線性負(fù)載是推進(jìn)變頻器，對(duì)船舶的主電力系統(tǒng)造成極大地諧波危害[2-4]，對(duì)推進(jìn)電機(jī)、儀器儀表、通導(dǎo)設(shè)備等造成諸多不利影響，其危害主要表現(xiàn)有以下幾個(gè)方面：

1）諧波使同一組網(wǎng)中的電氣元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，最終降低了發(fā)電設(shè)備的整體使用效率；同時(shí)，大量的3次諧波流經(jīng)中性線時(shí)會(huì)有過熱效應(yīng)，增大了火災(zāi)的可能性。

2）大量的諧波能夠增加電機(jī)設(shè)備的振動(dòng)和噪聲，產(chǎn)生過電壓和過電流效應(yīng)；能夠使電容器、變壓器等阻性或抗性設(shè)備過熱，加劇老化和故障率，影響設(shè)備的長期使用安全。

3）諧波會(huì)引起繼電保護(hù)或其他自動(dòng)控制裝置的誤動(dòng)作，使系統(tǒng)整體的可靠性降低，諧波影響儀器儀表的測(cè)量精度。

4）諧波會(huì)對(duì)流經(jīng)的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響通信質(zhì)量。

船舶電站與陸上電站相比功率較小，電站保護(hù)完善性較差，所以控制總諧波失真（THD）成為整個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)和電流組網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。一般要求低壓配電電網(wǎng)中總電壓諧波失真小于5%，任何單次諧波失真小于3%（船級(jí)社對(duì)于低壓組網(wǎng)的要求）。

3.3.2 12脈沖變頻器的諧波控制

雖然與6脈沖整流電路結(jié)構(gòu)相比，12脈沖的總諧波電流失真大大下降，但也在10%左右，但I(xiàn)EEE 519—1992標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：在電網(wǎng)短路電流小于20倍負(fù)載電流時(shí)，總諧波電流失真小于5%。因此，需采取屏蔽、隔離、接地及濾波等控制措施對(duì)12脈沖變頻器的諧波進(jìn)行大幅度降低，工程應(yīng)用的技術(shù)手段包括：減少回路的阻抗、采用無源或有源濾波器、提升變壓器容量及傳輸線路切斷法等。

3.3.3 AFE變頻器的諧波控制

從圖4可知，AFE變頻器的輸入電壓和輸入電流波形幾乎是無諧波，一般情況下，總電壓諧波失真小于2%，總電流諧波失真小于5%，完全滿足船級(jí)社 5%的限制要求。因此，電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)完全可以忽略諧波干擾，也不需要調(diào)整移相變壓器短路阻抗和發(fā)電機(jī)直軸超瞬變電抗。所以，應(yīng)用AFE變頻器可以直接采用標(biāo)準(zhǔn)的變壓器和常規(guī)的發(fā)電機(jī)，節(jié)約了工程成本和時(shí)間成本。

圖4 AFE的輸入電壓和輸入電流波形

3.4 可靠性

變頻器的元器件中，自關(guān)斷器件 IGBT是故障率較高的元器件，而AFE變頻器除了在逆變環(huán)節(jié)使用IGBT外，在其整流環(huán)節(jié)也采用IGBT作為其功率器件，因此相比 12脈沖變頻器，AFE變頻器的故障率稍高。但是考慮到12脈沖變頻器方案需要配置移相變壓器、濾波裝置等，整套系統(tǒng)復(fù)雜程度增加，也在一定程度上降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.5 功率利用率

受二極管整流電路高次諧波的影響，發(fā)電機(jī)及變壓器實(shí)際有用功率因數(shù)低于95%，剩余功率轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)到空氣中，所以在選擇柴油發(fā)電機(jī)和移相變壓器時(shí)需要充分考慮不利諧波對(duì)系統(tǒng)的影響，并對(duì)總功率因數(shù)留有一定余量。AFE變頻輸入電流諧波極低，類似于一個(gè)純電阻性負(fù)載，AFE變頻器無需消耗無功功率，功率因數(shù)接近1，并且線性可調(diào)，設(shè)計(jì)得當(dāng)可以得到超前的功率因數(shù)，可以對(duì)船舶電網(wǎng)無功進(jìn)行補(bǔ)償，而采用AFE變頻器的發(fā)電機(jī)的容量能夠得到充分利用。

4 結(jié)論

通過上文可以看出，使用AFE變頻器設(shè)備配置簡(jiǎn)單，占用空間較小，諧波控制好，無需額外的諧波控制設(shè)備，功率利用率高；但價(jià)格較高，并且設(shè)備的可靠性還需經(jīng)過較長時(shí)間的實(shí)船驗(yàn)證。本船機(jī)艙空間極為緊張，但初期投資預(yù)算和后期維護(hù)資金還算充足，同時(shí)考慮到公務(wù)船兼任著促進(jìn)工程創(chuàng)新、推進(jìn)國產(chǎn)化和軍民融合的使命任務(wù)，本船選用AFE變頻器。